CN101288258B - 用于在分布式系统的数字单元中交换信息的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在分布式系统的数字单元中交换信息的方法，其中数字单元由至少一个主节点和多个从节点定义，包括步骤：将信息参考从所述主节点传送到所述从节点，所述信息参考以由所述主节点的时钟值定义的循环时间周期所对应的采样时间来采样；该方法的特征在于，还包括步骤：估计在一个周期性参考时间间隔期间从所述主节点到达所述从节点所采样的所述信息参考的数量，以及利用所述数量来重新计算所述主时钟值，使得所述从节点能够在下一参考时间间隔期间重构主节点信息参考。

Description

用于在分布式系统的数字单元中交换信息的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在分布式系统中的数字单元中交换信息的方法。特别是，本发明可以被有利地用于解决在分布式数字控制中的通信问题，这种分布式数字控制被用于自动机械，尤其是自动包装机的操作部件的运动控制，在本技术说明书中进行具体的参考，而没有隐含地限制保护范围。 

背景技术

自动机械是一种由多个直接作用于产品上的操作头组成的复杂的多用途机构。 

为了获得机器的良好性能，其各个部件之间的正确协调是非常重要的。在早期的自动化中，最初的机构是以机械方式协调的，即经由主凸轮，与主轴相连，然后创建一个轨线作为该机构的其它元件的物理参考。 

当今，由于电机、功率电子器件和数字控制及通信的发展，这些元件受控的方式已经大为改变。 

附图1示出了基本的体系结构。从图中可看出，自动机械的运动控制系统是一种分布式系统。 

该系统由称为节点的数字单元构成，这些节点通过共享通信总线与其它单元交换信息。 

尤其是存在一个主节点M，即中央单元，以及许多其它从节点S_i，这些从节点与必须被控制的电机轴相连接。 

该系统的每个数字节点通过其内部时钟的触发反复执行一个时间驱动的算法，其特征在于一种标称时间间隔(所谓的“循环时间”)。 

一般而言，在现代的复杂系统中，每个数字节点可以同时执行不 同算法，“任务”(多任务系统)，每个算法的特征在于其自己的循环时间。对于这种系统而言，在下文考虑的通信和同步问题的概括是直截了当的。主节点中的一个特定任务和从节点中的一个特定任务之间的通信应当被考虑，而不考虑主节点和从节点之间的通信。 

令Δt和Δt_i分别为主节点和第i个从节点的循环时间。通常它们被设计为相等或者与固定的整数比同步。事实上，如果网络系统没有提供有效同步，则这种“设计假定”是不现实的，因为每个节点时钟都要受不准确、偏移和抖动的影响。 

主节点的主要用途是所有轴的协调，这种协调是假定从节点具有速度或位置参考以追踪传动装置获得的。 

在运行时，以等于主节点的循环时间的周期的采样时间对每个参考值进行采样。 

然后将每个采样通过数字总线发送到从节点并且以等于从循环时间的采样时间由从节点进行采集。 

应注意，不仅采样的值是相关的，而且相应的时刻也是相关的，即使这种信息不直接具备数据项。 

此外，这种信息的交换模式取决于通信系统的实现，即总线协议。 

无论如何，不管采用什么协议，如果主节点广播一个数据，则从节点将以可变的时间延迟得到该数据，所以，有可能定义较长和较短延迟之间的差作为系统的抖动。 

最后，由于类似网络上的数据冲突或者业务拥塞的问题，传输延迟可能增大。 

本发明的目的为此是提供一种用于克服以上提到的缺陷的交换信息的方法。 

特别是，本发明的范围是为了解决如上所述的分布式系统中的通信和同步传输问题。 

发明内容

根据本发明，描述了一种用于在分布式系统中的数字单元中交换 信息的方法，其中每个数字单元都由至少一个主节点和多个从节点来定义，该方法包括以下步骤：将信息参考从所述主节点传送到所述从节点，所述信息参考以对应于由所述主节点的时钟值所定义的循环时间周期的采样时间来采样，该方法的特征在于其还包括以下步骤：估计在一个周期性的参考时间间隔期间从所述主节点到达所述从节点的所述信息参考采样的数量，以及利用所述数量来重新计算主时钟值，使得所述从节点能够在下一参考时间间隔期间重建主节点信息参考。 

附图说明

下面通过举例参考附图描述本发明，附图中示出了一种交换信息设备的优选而非限制性实施例的原理和概略图，其中： 

图1示出了分布式系统的典型体系结构； 

图2是对主节点(a)、数据传输(b)的采样以及对从节点(c)的重新采样的原理图； 

图3示出了真实时钟的漂移率； 

图4示出了间隔时间窗口期间的时钟之间的关系； 

图5示出了一种算法实现； 

图6a和6b示出了分别用于主采样处理过程和从采样处理过程的图5的算法实现的流程图。 

具体实施方式

本发明的主要范围是对于采样的隐含时间位置传送从主节点M到从节点S_i的给定轨线的采样。如果这两种节点的内部时钟完全同步，不存在任何漂移和数字化误差，则可以获得简单而有效的通信，尽管存在如图2所示的传输延迟和抖动(ΔT/Δt为2，而且假定时钟报时信号(clock tick)完全对准)。 

该波形将以已知的主节点的采样时间Δt(图2-a)来采样，然后该波形将以一定延迟和抖动传送到从节点，这种延迟和抖动的范围是 已知的(图2-b)，而且该波形在这里通过从节点以其自己的妥协经插值被重新采样和重构(图2-c)，只需引入Δt的倍数的固定延迟以解决传输信号的非理想化。 

假设从节点完全了解ΔT/Δt的值、主从时钟报时信号之间的对准以及最大传输延迟，则所有这些步骤都可以实施。利用这些假设，从节点总是知道主节点传送的有效数据何时可用以及其的妥协；因此无需一致性数据控制。事实上，时钟的标称值不完全等于其有效值。 

例如，如果标称值为4msec，则有效值可能是3.9999msec或4.001msec，即有一些偏移和相应的偏移率(图3所示的阴影区域)。因此，主从时钟之间的实际关系是不能确切知道的。 

通过一些数字通信总线可以提供一种适当的低级同步系统，以避免上述的麻烦并确保不同节点时钟之间的近乎完美的同步。下面，考虑节点时钟之间没有直接同步的情况，即每个节点时钟都相互独立地运行。 

一般而言，主和从节点循环时间之间的关系可以如下表示： 

$\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{n}{m}+\mathrm{\Δn},$

其中n，m为整数值，而Δn为[0-1/m]区间的数。 

在控制系统的设计阶段，主从循环时间之间的标称关系定义如下： 

$\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δt}}{|}_{\mathrm{Nom}}=\frac{n_{\mathrm{Nom}}}{m_{\mathrm{Nom}}}+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{Nom}}$

其中n_Nom和m_Nom为整数，而Δn_Nom为[0，1/m]区间的数；通常，n_Nom明显要大于m_Nom，为简便起见，强制n_Nom等于0。 

根据前面提到的节点时钟非理想性，可以推导出以下考虑事项： 

-由于节点时钟的不准确性，实际的n、m、Δn值分别不完全等于n_Nom； 

-由于以下原因，值n、m、Δn不为常数： 

-节点时钟的长期频率不完全恒定； 

-抖动影响了节点时钟。 

主从时钟之间的抖动确定了如同抖动在传输时间中的相同效果， 因此很容易补偿，根据图2所示的过程，假设在从节点的参考重构中有适当的延迟。 

不同的是，实际的ΔT/Δt相对于标称的ΔT/Δt的未知失配以及其长期漂移无法通过图2所建议的固定延迟来补偿，因为漂移误差随着时间的过去而累积。这种问题的可能结果是数据在已经被使用之前可能被改写，或者同一数据可能被使用两次，这两种情形都导致速度轨线中的尖峰以及与其它轴失去同步。 

建议用于解决同步问题的算法

已知在数据传输上存在不确定性(抖动)，而且如上所述这两个时钟之间的关系并不是确切的先验已知，以下算法的目的是以采样时间Δt来重构之前由主节点以采样时间ΔT采样的参考轨线。 

此外，还必须满足以下的限制： 

-可能的话，用最小和恒定的延迟重构； 

-无数据丢失或预测。 

首先，由于重构是利用从循环时间进行的，从时钟Δt将被假设为系统全局时间(即，其它时钟将相对于从时钟来表征和表示)。 

因此，时基将具有Δt的粒度，而且在这种时钟的每个报时信号必须生成一个重构的轨线采样。 

为了管理传输延迟和抖动(由于传输信道以及主和从时钟不准确)，可以使用如图2所示的适当的延迟。 

另一方面，为了处理ΔT相对于Δt的漂移的影响(由于实际的ΔT/Δt不等于(ΔT/Δt)_Nom)，必须定义来自于主节点的数据的周期性重新同步(相对于由从节点定义的全局时间)，通过这种方式引入数据流控制。 

基本构思是估计在一个周期参考时间窗口期间有多少数据采样从主节点到达从节点；该信息于是可以被从节点用于重新计算主时钟值。 

利用主时钟的这种新的本地知识，从节点将能够在随后的参考时 间窗口期间重构主参考轨线。 

让我们考虑固定的n个从采样并且为参考时间窗口定义一个长度n*Δt。 

假设为简便期间，主和从节点是完全相关的，即满足公式：n*Δt＝m*ΔT，则有可能定义一个具有粒度等于(n*Δt)/m的主时钟，对从节点的定义与之类似。 

此外，假设这两个时基的开始时间是相同的。 

图4示出了在n＝4，m＝3的简单情形中在一个参考时间窗口内两个时钟之间的关系。所以，可能定义： 

-m，由主节点提供并在一个时间窗口中使用的采样数； 

-n，由从节点在一个时间窗口中创建的采样数； 

-i，由主节点提供并且在一个时间窗口中使用的第i个采样，i＝0，...，m； 

-s，由从节点通过内插在一个时间窗口内创建的第s个采样，s＝0，...，n； 

-T_i，第i个采样的时刻，其将等于i*ΔT； 

-t_s，第s个采样的时刻，其将等于s*Δt。 

为了初始化该算法，必须选择n和m的值。这种选择可以基于ΔT和Δt的标称值，而且其必须满足公式n*Δt＝m*ΔT。 

对于每个参考时间窗口n都将相同，而根据其的估计m将会改变(但是在一个给定时间窗口内其将被认为是恒定的)。 

从参考轨线采样将借助线性内插公式从主原始采样开始计算。 

由于我们需要两个原始采样以获得一个或多个内插值，必须存在一个缓存器来存储主采样(见图5)。 

该缓存器将利用FIFO(先入先出)策略来管理：一旦接收到一个新的主采样，就将其存储在缓存器的末尾；当需要一个新的采样用于从采样计算时，将其从缓存器的头部提取出来。 

从缓存器中提取出来的最后两个数据总是要内插的两个值；下面我们将称其为x_previous(例如时刻T₁的采样)和x_next(例如时刻T₂的采样)。 

缓存器中的采样数将总是“足够的大”以确保当需要一个新的采样用于从采样计算时缓存器从来不会是空的(缓存器欠载运行)，但不会“太大”以避免在参考轨线重构中出现极大的延迟。所以我们可以设置一个用于保持的缓存器参考级。 

必须满足以便对从采样计算保持利用x_previous和x_next的值的条件如下： 

t_s≤T_i

一旦该条件失效，就必须从缓存器中提取出一个新的采样，而且必须相应地重新定义x_previous和x_next。 

考虑t_s＝s*Δt，T_i＝iΔT而且n*Δt＝m*ΔT，前一条件可以改写为： 

$s\≤i*\frac{n}{m}$

现在定义： 

s′＝s·m 

以及 

i′＝i·n 

其中s＝0，...，n而i＝0，...，m 

前一条件可以改写为： 

s′≤i′ 

如前所述，如果该条件被满足，则可以通过主采样x_next和x_previous之间的线性内插来获得第s个内插值x_s。一旦我们到达参考时间窗口的末尾，就实现了在下一时间窗口(新的m值)中将要使用多少采样的估计，即定义了下一时间窗口的粒度。 

这种估计可以通过监控缓存器级和利用标准的调节器(例如，直进式调节器)来实现。 

特别是，该估计过程可以被分成两个步骤： 

a)通过简单地估算在最近的时间窗口期间接收了多少数据来计算 

值； 

b)通过从前一 

值开始并且应用校正系数来计算实际m值以确保该缓存器级被维持在接近于用户定义的缓存器参考级。 

对于上面提到的步骤a)，该计算可以简单地考虑有多少原始值已经被使用以及缓存器级中的变化是什么。 

如果在参考时间窗口的结束时的缓存器级大于时间窗口开始时的缓存器级，则接收数据数大于已经被使用的数据数。 

关于步骤b)，该校正系数可以与实际缓存器级和参考缓存器级之差成正比。 

如果必要的话，可以考虑插入死区(即，只有实际缓存器级和参考缓存器级之差大于一个给定的值时才可以激活该校正系数)。 

一旦新的n值可用，则可将i和s重置为0，而且该算法可以在下一参考时间窗口中启动从采样计算。 

如果这两个时钟完全相关，则在第一个m值估计之后，对于所有时间窗口，该m值都将相同。 

抖动和m的Δn出现使得m从m因时间窗口而异。 

这些变化的影响是速度轨线有些升高或有些下降，这取决于m相对于其的值增大或减小了多少。为了降低这些变化的影响，n值应该被选择为“足够的大”。 

事实上，在一个时间窗口期间累积的误差将在下一个时间窗口中扩散。 

显然，m越大，误差的发生率越低。 

算法实现

本章节的目的是展示以上的同步算法的实现(见图5)。 

该算法实现可以分为两个不同的过程： 

-主采样处理过程 

-从采样处理过程 

-旦从节点从主节点接收到一个新的参考轨线采样(由此具有标称周期ΔT)，就必须执行主采样处理过程。基本上，该过程负责在FIFO缓存器中插入主采样。 

从采样处理过程必须借助从采样时间ΔT(周期性地)执行。 

该过程是最重要，因为它负责从缓存器中提取主采样、从采样计算、以及m值估计。 

该过程还负责控制缓存器级。 

根据图6，示出了上面提到的每一个过程的简单流程图。 

算法初始化

为了适当地初始化该算法，必须满足如下条件： 

m＝(Δt_nom/ΔT_nom)*n 

i′＝s′＝0 

缓存器级＝缓存器参考级+增量，增量＞0，其中n和缓存器参考级都是用户定义的参数。 

Claims (4)

1.一种用于通过在作为自动包装机的运动控制系统的分布式系统的数字单元中交换信息来控制所述自动包装机的操作部件的运动的方法，所述分布式系统包括具有标称主时钟循环时间的主单元和至少一个具有标称从时钟循环时间的从单元，

所述从单元与所述自动包装机的相应机电轴相连，所述机电轴的运动将受控制，并且所述主单元协调所述自动包装机的所有机电轴，所述方法包括步骤：

将给定轨线从所述主单元传送到所述从单元，所述传送包括：

(i)在所述主单元以对应于所述主单元的时钟循环时间的采样时间来采样所述给定轨线，以获得主采样；

(ii)将所述主采样从所述主单元传输至所述从单元；

(iii)在所述从单元以可变的时间延迟接收所述主采样；

其特征在于，所述方法还包括步骤：

在所述从单元在缓存器上存储所述主采样，

估计在一个周期性参考时间窗口期间，从所述主单元到达所述从单元的采样的数量，并使用所述数量来重新计算主时钟循环时间，

通过生成具有对应于所述从单元的时钟值的采样时间的从采样，在所述从单元在下一参考时间窗口期间通过使用重新计算的主时钟循环时间基于所接收到的采样重构所述轨线，

所述从采样具有通过线性内插从所接收到的主采样计算的值，

其中，通过使用被重构的轨线控制所述自动包装机的操作部件的所述运动，而无数据丢失或预测。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述重新计算是通过线性内插以及通过利用用于存储更多的主采样的缓存器实现的。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述缓存器是先入先出型缓存器。

4.根据权利要求1～3中的任何一项的方法，其特征在于，所述轨线包括至少一对值，其中之一为时间值。

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